基于ZigBee無線傳感網絡的環境監測系統的設計*

高金轉，彭旭鋒，張會新，陳德沅，劉文怡*

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051；2.儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051；3.北京宇航系統研究所，北京100076）

基于ZigBee無線傳感網絡的環境監測系統的設計*

高金轉1，2，彭旭鋒3，張會新1，2，陳德沅1，2，劉文怡1，2*

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051；2.儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051；3.北京宇航系統研究所，北京100076）

ZigBee作為一種新興的無線傳感網絡技術，具有低功耗、低復雜度、低傳輸速率、低成本、近距離傳輸等特點，實現起來簡單，并且具備自組網功能，新傳感器節點入網無需人工配置，在無線環境監測系統中得到廣泛的應用。設計的基于ZigBee無線傳感網絡的環境監測系統是對環境中的溫度和氣體煙霧進行監測。該檢測系統由傳感器節點和協調器節點兩部分組成，其結果由協調器傳輸給PC機來顯示，從而完成對溫度和氣體煙霧的無線監測。經過多次可靠性試驗，本系統已成功應用于某型號監測系統。

無線傳感網絡；ZigBee；溫度；氣體煙霧濃度；CC2530

隨著科學技術、信息技術、網絡技術的發展，無線傳感網廣泛應用于軍事、智能家居、醫療監護環境監測和遠程工業控制領域［1］。現今由于科技水平的提升，一些工廠、辦公樓、家居有無線傳感網絡的參與給我們的工作和生活帶來了很大的方便［2］。其中ZigBee技術是一種近距離、低成本、低速率、較簡單且功耗低的雙向無線通信技術，被廣泛地應用于遠程監測與控制和智能家居領域中［3-4］。

設計的主要目的是實現一種基于ZigBee無線傳感網絡的溫度及煙霧數據實時監測功能。設計電路種包含傳感器節點的設計和協調器節點的設計，傳感器節點會進行周期性的采集溫度和氣體煙霧濃度的數據，再將其通過無線網絡傳給協調器節點，協調器經USB串口在PC機上的串口助手里顯示。

1　系統的整體設計

本系統是由一個傳感器節點和一個協調器節點兩部分組成。傳感器節點主要是完成對環境中的溫度和氣體煙霧濃度的采集，并將數據通過ZigBee網絡發送出去。協調器節點的功能是建立ZigBee網絡和接收傳感器節點發出去的數據，并將其通過USB串口傳給PC機。系統整體框圖如圖1所示。

項目來源：山西省自然科學基金項目（2014011021-5）

收稿日期：2015-07-09修改日期：2015-09-11

圖1　系統整體框圖

系統工作的時候，傳感器節點加入協調器組建的ZigBee網絡，周期性地采集環境中溫度和氣體煙霧濃度的數據，并將其發送出去，協調器接收到數據后經串口將其傳輸給PC機，由PC機顯示數據。

2　系統硬件的設計

2.1系統無線收發模塊的設計

其核心芯片為CC2530，CC2530是TI公司在2.4 GHz頻段推出的第 2代支持 IEEE 802.15.4/ ZigBee協議的片上系統芯片。其內部集成了高性能射頻收發器、工業標準增強型8051 MCU內核、265 kB Flash ROM和8 kB RAM。它的功能比較強大，具有 2個 USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）、8 bit和16 bit定時器、看門狗定時器、8路輸入可配置的12 bit ADC模數轉換器、21個 GPIO（General Purpose Input Output）、AES128協同處理器等［5-7］。因為CC2530自身帶有射頻的功能，一般經行小功率網絡節點的系統設計使不需要額外加其它的射頻芯片，CC2530外加一些簡單電路即可實現射頻功能，如圖2所示。

圖2　系統無線收發模塊模塊

協調器節點和傳感器節點之間的互相通信是依靠天線收發實現的，天線一般都具有可逆性，既可以接收也可以發送［8-9］。其中，晶振電路部分分別由1個晶振和2個負載電容組成，給主芯片CC2530的正常工作提供穩定的時鐘信號。用電感、電容相連構成一個同軸天線，由單片機的管腳RF_P和RF_N輸出。

2.2系統功能模塊的設計

這個環境監測系統主要由兩個功能模塊，即整個系統由一個協調器節點和一個傳感器節點組成。

（1）協調器節點設計

如圖3所示，協調器節點主要包括：CC2530數據處理模塊、天線、電源模塊、串口模塊、LED部分等。CC2530部分主要負責控制節點的處理操作、任務管理等。天線部分主要用于接收數據信息。串口模塊為PC機和節點之間提供了接口。LED部分用來指示網絡的連接情況，LED2亮說明協調器自組ZigBee網絡成功，LED1亮說明允許其他節點加入該網絡。

圖3　協調器節點的功能框圖

（2）傳感器節點設計

圖4為傳感器節點的功能框圖，它主要由CC2530數據處理模塊、天線、數據采集模塊（溫度傳感器和氣體煙霧傳感器）、電源部分和LED部分等組成。其中，數據采集模塊主要負責采集數據，并完成數據的轉換。LED部分是來表示節點是否加入或退出網絡，LED2亮說明傳感器節點加入ZigBee網絡，LED1亮傳感器節點開始周期性地發送數據。天線用于無線發送數據信息。數據采集模塊使用的傳感器為DS18B20數字溫度傳感器和MQ-2氣體傳感器。DS18B20數字溫度傳感器是單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點，使用起來十分方便。MQ-2氣體傳感器可用于家庭和工廠的氣體泄漏監測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測。

圖4　傳感器節點的功能框圖

（3）電源模塊設計

關于電源部分的設計，為保證傳感器節點和協調器節點模塊持續工作，故與PC機相連供電。但是電路中用到了3.3 V的電壓，所以必須要加一個5 V到3.3 V的轉換電路。即使用了TI公司的REG117-3.3芯片，能滿足5 V到3.3 V的電壓轉換要求。

2.3串口傳輸模塊

為了便于PC機與協調器之間進行正常通信，本系統設計采用了USB轉串口芯片CH340，實現了USB到串口的轉換。PC機通過USB接口接收數據。PC機與單片機之間接口不一致，因此需要通過CH340芯片實現接口的匹配，以使數據可以正常從協調器模塊傳送到PC機。圖5為USB轉換的部分原理圖。

圖5　串口轉換的部分原理圖

在串口方式下，CH340提供常用的MODEM聯絡信號，用于為計算機擴展異步串口，或者將普通的串口設備直接升級到USB總線。

3　系統軟件設計

利用星型網絡拓撲結構的優點是它結構簡單、網絡的管理和維護容易，成本也低。該系統建立了一個無線傳感網絡，將采集的數據通過Zig-Bee網絡協議傳送到協調器，最終傳到PC機來顯示。本系統調試過程中的網絡結構由一個協調器節點和一個終端節點組成，其中協調器主要負責網絡的建立和維護，接收監測區域的溫度、氣體濃度，并通過串口與PC機相連進行數據的顯示，終端傳感器節點利用溫度傳感器、氣體傳感器采集數據信息。

3.1協調器節點的軟件設計

在系統設計中，協調器節點主要有兩個任務：一是負責建立ZigBee網絡并允許其它節點加入該網絡；二是能夠接收終端傳感器節點無線發送的數據信息，并將這些數據信息分析處理后通過串口傳給PC機顯示。協調器節點的工作流程圖如圖6所示。

圖6　協調器節點的工作流程圖

3.2傳感器節點的軟件設計

終端傳感器節點加入網絡后，需要周期性地采集數據并向協調器發送數據。周期性的工作需要用到 ZigBee協議棧里的一個定時函數osal_start_timerEx（）［7］，該函數可以實現毫秒（ms）級的定時，定時時間達到后發送數據到協調器節點，再定時一段時間，定時時間到達后再發送數據，這樣周期性地工作。在該系統中，終端傳感器節點的任務是加入ZigBee網絡，處理各個傳感器采集的數據，并將其周期性發送給協調器。其工作流程圖如圖7所示。

圖7　傳感器節點的工作流程圖

4　測試結果顯示

測試了一個傳感器節點和一個協調器間的數據傳輸。即給協調器節點和傳感器節點下載編好的關于溫度的程序后，給協調器節點上電，待LED燈都亮了（即ZigBee網絡建立成功并允許其它節點加入）之后，將傳感器節點放置與距離協調器節點10 m之外，再給傳感器節點上電，待LED燈都亮了，打開串口調試助手，將波特率改為與程序相對應的波特率，打開串口，看到接收區的溫度顯示如圖8所示，用手觸碰DS18B20溫度傳感器的時候，串口助手接收的數據明顯升高，如圖9所示。

圖8　串口顯示溫度數據

圖9　串口顯示手觸時溫度數據

若給溫度傳感器節點和協調器節點下載關于氣體濃度的程序后，和上述步驟一樣，待測試系統穩定之后，可以看到串口助手的接收區數據顯示，如圖10所示，靠近MQ-2呼吸，可以看到接收區數據的明顯變化，如圖11所示。

由此可見，10 m距離間的數據傳輸穩定易實現，若對系統加以嚴格設計和對ZigBee系統加以優化，增加傳感器的種類和節點數，再加上路由節點的設計，可以擴大通信范圍，實現對環境中多種參數進行實時的檢測，具有較大的發展前景。

圖10　串口顯示氣體濃度

圖11　串口顯示靠近呼吸時氣體濃度

5　結束語

環境監測系統是基于ZigBee無線網絡的設計，采用CC2530單片機芯片，完成了對環境中的溫度和氣體煙霧濃度的無線監測，為遠程監測環境的實現提供了全新的途徑。經過對該監測系統的設計與測試結果分析，該監測系統使用ZigBee無線網絡進行設計，簡單易實現；采集數據及對數據的傳輸過程中，系統穩定、數據無誤，可廣泛應用于現代智能家居、醫療監護環境監測和遠程工業控制等領域中。

［1］ 李存德，馬長寶.基于ZigBee的無線溫度傳感器網絡的研究與設計［J］.自動化與儀器儀表，2014（6）：55-57.

［2］ 司海飛，楊忠，王珺.無線傳感器網絡研究現狀與應用［J］.機電工程，2011，28（1）：16-20，37.

［3］ 許靈軍.基于ZigBee網絡原理與應用開發［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008：19-33.

［4］ 張凱，劉用滲，秦斌斌，等.基于ZigBee和GSM的高速公路自適應限速系統？［J］.電子器件，2014，37（6）：1193-1198.

［5］ 紀晴，段培永，李連防，等.基于ZigBee無線傳感器網絡的智能家居系統［J］.計算機工程與設計，2008，29（12）：3064-3067.

［6］ 徐書芳，王金海，宮玉龍，等.基于ZigBee的智能家居控制系統的研究與設計［J］.電子技術應用，2013，39（8）：80-83.

［7］ Texas Instruments.CC2530 Data Book［Z］.United States：Texas Instruments，2009：16-152.

［8］ 張濤.基于CC2530的溫度監測模塊設計與應用［D］.南昌：南昌大學，2012.

［9］ 劉泳銳，劉文怡，張彥軍，等.聲無線傳感網絡節點數據高速存儲實現［J］.電子器件，2013，36（5）：696-699.

高金轉（1989-），女，漢族，山西呂梁人，中北大學在讀研究生，研究方向為測試計量技術及儀器，g_jz36@163.com；

張會新（1980-），男，漢族，黑龍江牡丹江人，講師，北京航天航空大學在讀博士，研究方向為抗過載存儲技術及動態測試技術與儀器，zhanghx@nuc.edu.cn。

Design of Environmental Monitoring System Based on ZigBee Wireless Sensor Networks*

GAO Jinzhuan1，2，PENG Xufeng3，ZHANG Huixin1，2，CHEN Deyuan1，2，LIU Wenyi1，2*
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，Taiyuan 030051 China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement of Ministry of Education，Shanxi Taiyuan 030051 China）

As an emerging ZigBee wireless sensor network technology with low power consumption，low complexity，low transmission rate，low cost，short distance transmission and other characteristics，is easy to be realized，and has self-networking capabilities.The new sensor node network joins the networking without manual configuration，and has been widely used in wireless environmental monitoring system.Design of this environment monitoring system based on ZigBee wireless sensor networks is monitoring of the environment temperature and gas smoke.The monitoring system consists of two parts，those are a sensor node and a coordinator node.The result is displayed by the coordinator transmitted to a PC，thus completing of the wireless monitoring of the temperature and the gas fumes.After several reliability tests，the system has been successfully applied to a model monitoring system.

wireless sensor network；ZigBee；temperature；gas and smoke density；CC2530

TP274

A

1005-9490（2016）03-0546-05

EEACC：6150P；7210B10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.010